空分冷箱钢结构损坏原因分析及修复.pdf

2 0 1 0 年第 1 期 总 第 1 3 7期 冶 金 动 力 ME T A L L U R G I C A L P O WE R 3 3 秣 制 氧 岱 空分冷箱钢结构损坏原因分析及修复 余 良柱 宝钢能环部制氧分厂 ， 上海2 0 0 9 4 1 【 摘要 】由于长期运行， 珠光砂保温性能下降， 以及管道和冷箱的距离之间的近距离， 导致冷箱钢结构 与低温管道之间的隔离不佳， 会发生低温冷脆， 直接影响整体的安全运行。介绍了宝钢 2 空分冷箱在漏液和长 期处于低温区域引起的钢结构断裂后的分析， 事故解决方案以及对冷箱隔离方式的探讨。 【 关键词 】冷箱； 钢结构； 低温； 断裂； 修补； 隔离 【 中图分类号】 T B 6 6 【 文献标识码】B 【 文章编号】1 0 0 6 6 7 6 4 2 0 1 0 0 1 - 0 0 3 3 - 0 3 Da ma g e Ca u s e An a l y s i s o f S t e e l S t r u c t u r e o f Ai r S e p a r a t o r Co o l i n g Bo x a n d Re p a r a t i o n YU L i a n g -z h u O x y g e n B r a n c h P l a n t ．D e p a r t m e n t o f E n e r g y S o u r c e s a n d E n v i r o n m e n t a l P r o te c t i o n ，B a o s h a r t I r o n＆ S t e e l C o ． ， L t d ． ， S t u mg h a i 2 0 0 9 4 1 ，C h i n a 【 A b s t r a c t 】 O w i n g t o l o n g t e r m o p e r a t i o n ， h e a t in s u l a t i n g p r o p e r ty o f p e r l i t e r e d u c e d ． S ho r t d i s t a n c e be t we e n p i p e a n d c o o l i n g bo x r e s u l t e d i n p o o r h e a t i ns u l a t i n g p r o p e r t y o f s t e e l s t r u c t u r e o f c o o l i n g b o x a n d l o w- t e mp e r a t u r e p i p e ．C o l d s h o rtn e s s wo u l d o c c u r ，w h i c h d i r e c t l y a f f e c t e d s a f e t y r u n n i n g o f t h e e q ui p me n t ． Th e f a i l u r e o f s t e e l s t r u c t u r e f r a c t u r e o f No ． 2 a i r s e p a r a t o r c o o l i n g b o x o f B a o s h a n I r o n ＆ S t e e l C o ． ．L t d o w i n g t o l i q u o r l e a k a g e a n d o p e r a t i o n i n l o w t e mp e r a t u r e z o n e f o r a l o n g t i me w a s p r e s e n t e d ．T h e s o l v i n g s c h e me a n d h e a t i n s u l a t i ng wa y s o f t h e c o o l i ng b o x we r e d i s c us s e d ． 【 K e y w o r d s 】c o o l i n g b o x ； s t e e l s t r u c t u r e ； l o w t e m p e r a t u r e ； f r a c t u r e ； r e p a r a t i o n ； h e a t i n S Ul a t i o n 1 概 述 普通碳钢 如 Q 2 3 5 B 在低温状况下 一 2 0 o C 以 下 金属的机械性能开始下降， 温度越低， 性能下降 越明显 ， 发生冷脆的可能性越大。 一但发生冷脆直接 影响所在区域的安全性。宝钢 2 空分发生冷箱钢结 构发生冷脆，经过近 3 个月的检修，解决了这一问 题。下面就介绍过程 ， 并作相应的分析 。 2 事故发生和检查情况 运行人员在 日常的点检时 。 2 空分底部冷箱板 开裂 ， 有冷气夹杂珠光砂喷出 ， 含 氧量在 1 ％以下 。 在发现冷箱板开裂后空分继续运行 3天 。所有运行 参数均正常未出现任何不正常的状态。根据以往经 验 ， 从现象初步判断 冷箱内有液氮或者液氩管道泄 漏， 导致冷箱板冻裂。 随即2 空分停机进行检修． 拆除珠光砂。 在拆 除珠光砂过程中， 发现珠光砂有大量结冰现象 ， 主要 区域在氩 塔顶部 1 、 冷箱顶部 2 和 3 0 m平 台处 3 ， 顶部结冰面积较大。同时在此平台的东南角发 现有管道变形． 以及管道开裂 ． 同时有两个排放阀的 管道脱落 。 脱落点都是在管道和冷箱连接处， 泄漏点 正对冷箱板， 但冷箱板并未有任何异常。 当珠光砂拆 除到副冷箱中部高度时发现主冷箱副冷箱隔板大面 积开裂 ， 隔板整个 中间区域都有开裂现象 ． 开裂面积 占隔板总面积 1 1 2 左右。更为严重的是主冷箱中间 三根立柱以及与之相连接的横梁斜撑都有大面积开 裂现象。 开裂最严重区域是最靠近过冷器的部分， 大 面积隔板掉落。 靠近此区域的珠光砂比较潮湿 ． 但不 结冰 ，可能由于冰块融化后 ，水向下流至此处造成 的。 根据以上情况分析底部冷箱板开裂原因是由于 3 4 冶 金 动 力 MFr A L LU RGI CA L P OWE R 2 0 1 0 年第 1 期 总 第 1 3 7期 冷箱钢结构开裂后 ，产生变形 ，造成底部冷箱板变 形 ， 从而开裂。 结 冰 处 结 冰 处 管 管道 图 1 空分冷箱冻裂示意 图 3 初步原 因分析 珠光砂拆除后 ， 进行了全面检查 ， 对本次事故再 次进行分析， 初步认为是两个因素叠加造成 3 ． 1 液体管道泄漏， 导致冷箱冻裂 虽然在冻裂的冷箱板附近未发现有泄漏的液体 管道 ，但从在上部结冰区域发现这一区域共有两个 阀门断裂 ， 7 5 8和 7 9 1 。 分别是液体排放管和加温管， 由于这两个断裂的阀门靠的非常近，泄漏的液体被 加温管泄漏的氮气蒸发变为气体，所以在冷箱板上 未发现任何跑冷和结冰现象。 而未蒸发的液体向下． 流至发生冻裂区域积聚 见图 2 。 而随后的二次捉漏 ， 在副冷箱侧上部 6 1 13 ． 左右 发现一根不凝性气体排放 管有断裂现象 ，而且断裂 处 口径较大 ， 约 3 4 mm。虽然这是气体排放管但管 道内长期是气液混合。长期的液体泄漏是造成冷箱 冻裂的重要原因。 而且从位置关系也可以对应起来 。 该处的液体横向流动距离很短．泄漏点和冻裂处基 本在同一垂直方向。因此这个泄漏点引起冷箱板开 裂更有可信度。 3 ． 2 主冷箱和副冷箱隔板长期处于低温状态， 导致 冷箱冻裂 开裂冷箱长期处于低温区域， 过冷器的工作温度 在一 1 7 0℃。 虽然有珠光砂保温层， 但长期处于这一温 度下， 珠光砂温度也会被冷却至相当低， 冷箱板通常 使用 Q 2 3 5 碳钢， 普通碳钢耐低温性能极限一 2 O℃， 如 果低于这一温度， 会发生冷脆。而冷箱板发生断裂最 严重区域正是正对过冷器的区域。 过冷器与冷箱板距 离仅 1 m， 长期的辐射换热， 导致冷箱板冻裂。 管 图 2 冷箱冻裂原 因分析示意图 4 修理方案 在发现这一问题后 ． 就提出了以下方案 1 首先针对珠光砂大量结冰的问题 ， 对所有的 人孔的密封垫更换 ， 检查冷箱是否有泄漏点 ， 修补泄 漏点。 2 所有的泄漏管道和变形管道更换。 3 立柱断裂恢复。 对于立柱修复提出过两个修 复方案， 具体方案如下 方案一 断裂的三根立柱 以及横梁用不锈钢工 字钢进行加固， 将副冷箱和主冷箱隔开， 中问成为一 个通道， 管道进行保温 ， 如图 3 。 实线部分为原双工字钢 箱型梁结构 虚线为不锈钢工字钢 加 固方案 图 3立柱修 复方 案一 该措施优点是避免在隔板处形成低温区域． 防 止对碳钢材质的结构和面板造成破坏。 但也有缺点 三万空分冷箱容积较小， 容积固定， 无法再进行 而将管道与冷箱壁的距离扩大， 如果采用此方案。 主 冷箱内的过冷器距离冷箱板仅 1 m左右的距离。 距 离较小， 长期运行可能会造成跑冷， 冷箱板的长期结 冰将造成跑冷损失。 方案二 故针对其方案修改设计， 对原工字钢进 2 01 o T第 1 期 总 第 1 3 7 期 遣 金 动 力 ME 1 lA L L U R G I C A L P O WE R 3 5 行加 固 见图 4和图 5 ， 中间不进行分离 ， 因为用不 锈钢对立柱和横梁进行加 固后 ．即使长期处于低温 状态下， 碳钢部分失效 ， 不锈钢补强仍然可以保证整 个机构的稳定性。 中间的碳钢板仅是分隔作用。 并没 有承重作用， 因此仅需普通修补即可。 ⋯一⋯-●_一 ．．．．．．⋯．一． t ． ．．．． l I I l f I 。’。。。。一 1 一 y a 立柱 b ． 横粱 虚线部分为不锈钢板包覆 ， 实线为工字钢。 工字钢强侧为连续不锈钢 板连接， 弱侧为间断不锈钢连接。 图 4 加固后 的横截面图 图 5外部不锈钢板结构图 这一加固方式有以下优点 1 费用节省。不锈钢工字钢， 至少 3 ～ 4万元／ t ， 而使用 0 C r l 8 N i 9的 1 O m m不锈钢板约 1 ． 4万／ t 而 且使用工字钢约 1 8 t ， 不锈钢钢板 只需 5 t ， 材料费 就可以节约近 4 0 万 2 5 1 2 期短。 不锈钢工字钢采购加工时间长． 1 8 t 工字钢至少 1 ． 5 个月 ；而不锈钢板比较容易采购． 而且加工形式简单 ， 在 2周内完成所有准备工作。 冷 箱 内的安装由于不锈钢板形式简单焊接简便 ，而且 可以分段焊接，工期仅需 1 ． 5周 。工字钢结构较复 杂 ， 施工难度加大， 而且分段焊接对工字钢的强度有 一 定的影响。如果使用工字钢初步估计冷箱内工期 至少 3周完成。 3 强度保证 。 原先工字钢虽然有大面积开裂现 象， 但没有错位， 所以只要将裂纹修补好即可。不锈 钢板将工字钢全部包覆后 ．工字钢原来的裂缝全部 修补好 ， 不锈钢板也起到了补强的作用。 原先立柱是 采用 2 8 a的工字钢双拼箱型结构， 截面积为 5 5 ． 4 0 4 x 2 1 1 0 ． 8 0 8 o m 。而本次不锈钢在工字钢的强侧采用 连续的钢板修补， 所以补强后承载能力加强， 补强后 截面积增加为 1 5 8 ． 8 0 8 e m 2 不计算 】 ， 轴上的不锈 钢面积 。计算后在 轴方向可以单位长度上承载 能力为原来的 1 ． 2 5倍 ， y轴方向为原来的 1 ． 2 2倍。 计算结果如下 J I ，2L4 d A b ，d y I d A d A h d y ．告 y d y 等 hi 2 -- 古 x l O 2 8 0 1 8 3 0 c m j ‘ J y d x h 3 告 [ 6 一 6 ] l 6 1 c m 查表可知 原来 w , 5 0 8 ． 1 5 2 1 0 1 6 o m 3 wy 5 6． 5 65 21 1 3 o n 再 计 算 现 5 0 8 ． 1 5 2 1 2 7 7 c m 5 6 ．5 6 5 2 1 3 7 ．6 c m 得出 方向可以较原来增强 1 ． 2 5倍 。 y方向 可以较原来增强 1 ． 2 2 倍。即使内部的原有工字钢再 次由于冷脆断裂失效 ，外部的不锈钢补强可以保证 承重。 这一方案考虑立柱和横梁长期处于低温，但外 部有不锈钢补强也不会失效。即使三个立柱强度下 降， 将上部负荷传递至最旁边的立柱。经过核算 在 最极端的情况下 常温部分的钢结构也断裂 计算最 旁边的立柱可以承担上部负荷。 另外在三根立柱中部断裂最严重处设置了三个 温度监测点， 可以随时观察温度变化情况。 5月 1 4日2 空分 8 3 0开车。 5月 1 6日8 3 0氧 并 网、 1 8 3 0氮并网。经过半个月的运行三根立柱温 度都在持续下降， 从南至北分别是一 1 5 c c、 一 2 9【 ℃ 、 一 6 7 ℃。 从温度分布基本可以证明该 区域为低温区域 ． 因此用不锈钢加 固的方案是可以解决这一问题的。 从而进一步证明中间加通道的不可行性 ， 如此低温， 中间通道必定结冰跑冷 ， 而且跑冷量会很大， 影响效 率 、 外观、 甚至安全。 所以采用不锈钢加固是最安全 可靠的方式 。 下转第 3 8页 3 8 冶 金 动 力 ME TA I ，LU RGI CA L P OW E R 2 0 1 0 年第 1 期 总 第 1 3 7期 第三减少了制氧机开机台数 ，以液氧汽化来补充不 足 ， 降低能耗。 5 结合高炉休风安排制氧机临时停车 按检修周期高炉每 3 个月安排一次检修， 检修 时间一般在 1 6 ～ 2 0 h 左右。检修期间氧气、 氮气富 余，因此同步安排制氧机临时停车不排液等措施来 控制氧气放散。 4 效果 4 ． 1 氧气放散率逐年的变化情况 从 2 0 0 5 年伊始到 2 0 0 9 年 6月氧气放散率呈逐 年下降的趋势 从 2 0 0 5年 l 5 ． 6 3 ％到 2 0 0 7 、 2 0 0 8年 呈大幅度下降， 到目 前为止 2 0 0 9 年上半年氧气放散 率控制在历史最低水平达到 1 ． 1 8 ％， 并且在 2 0 0 9年 1 - 6月份 1 8 1 天中累计有 1 1 2天实现零放散 ，占上 半年总天数的 6 2 ％。 放散率变化见表 3 。 表 3 2 0 0 52 0 0 9年氧气放散率统计 年份 氧气产量 ／ 1 0 m 氧气放散量 ／ 1 0 m ’氧气放散率 ／ ％ 国内外都要求氧气站有一定的液体储备量．一般要 求储备量为最大制氧机 2 4 h或 3 6 h的产量 ，因此 酒钢液体 的储备能力不足 ， 需进一步扩充。 2 制氧机操作缺乏变工况调节手段 当氧气等产品需求减少时 ．制氧机可采用增加 液体产量或减少气体产品产量的办法来控制氧气放 散增加液体储备。据一些资料介绍变工况调节在 8 0 ％一 1 1 0 ％以内不会造成制氩工况破坏 。而酒钢制 氧机过于稳定操作 ．变工况调节只有微量调节对控 制氧气放散助益不大。下一步还需提高操作水平或 增加控制手段 。 3 制氧机不排液临时停车时间缺乏标准 目前酒钢制氧机 临时停 车时 间控制在 3天 以 内，主要以监控液氧中的碳氢化合物和乙炔含量为 主。实际上 3天的时间碳氢化合物和乙炔含量还是 在正常范围内， 而且跑冷少液体蒸发量也不多。 据悉 其他制氧机厂有按 3 天控制 ．但也有 2 O ～ 3 0天不排 液冷备的记录。同时查阅资料对制氧机的冷备没有 明确的标准和规定 ，希望能引起有关部门和专家的 重视尽快制定标准。 【参 考 文 献 】 [ 1 】lk t 明勇， 时文玉 ， 李木． 降低氧气放散率， 提高空分设备效益L 玎 ． 深冷技术．2 0 0 5 。 5 ．